CN101263384B - 超声波探伤方法及无缝管的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供超声波探伤方法以及无缝管制造方法。该超声波探伤方法基于管状被探伤件(P)的壁厚与外径之比t/D来设定周向入射角αi及轴向入射角βi，该周向入射角αi是自超声波探头(1)发送的超声波向管状被探伤件(P)入射的周向入射角，该轴向入射角βi是自超声波探头(1)发送的超声波向管状被探伤件(P)入射的轴向入射角，从而使基于上述周向入射角αi、上述轴向入射角βi及上述管状被探伤件的壁厚与外径之比t/D算出的内表面折射角θk为35 °以上、60°以下。

Description

超声波探伤方法及无缝管的制造方法

技术领域

本发明涉及用于使用超声波来探查存在于钢管等管状被探伤件内表面中的内表面伤痕的超声波探伤方法、以及使用该方法制造无缝管的方法，特别是涉及可以无论管状被探伤件的壁厚与外径之比和内表面伤痕的倾斜角度如何、都能以相同程度的检测能力检测相对于管状被探伤件的轴向具有各种倾斜角度的内表面伤痕的超声波探伤方法、以及使用该方法制造无缝管的方法。

背景技术

近年来，随着对管的高品质化要求的提高，存在管的无损检查标准倾向于严格化。

例如，作为代表性管的无缝管可这样制造，即，通过利用穿轧机对钢坯进行穿孔而形成中空壳，并利用芯棒式无缝管轧机等轧制该中空壳，从而制造无缝管。在该无缝管中存在相对于轴向具有各种倾斜角度的伤痕(以下，适当地称作“倾斜伤痕”)。

一般说来，该倾斜伤痕是因钢坯中原本存在的纵向裂痕在上述制造工序中沿轴向受到变形而产生，或者是因用于维持中空壳的轧道中心的导块(guide shoe)的引导面上存在的伤痕转印而产生。因此，倾斜伤痕相对于无缝管轴向的倾斜角度因无缝管的管径、倾斜伤痕的产生原因的差异而变化。即，在无缝管中存在具有各种倾斜角度的倾斜伤痕。

由于无缝管的使用环境倾向于逐年严格化，因此要求其高品质化，也严格要求高精度地检测出上述倾斜伤痕。

但是，以往，提出了各种用于探查存在于无缝管中的倾斜伤痕的方法。

例如，在日本国特开昭55-116251号公报(以下，称作专利文献1)中提出一种这样的方法：根据作为检测对象的倾斜伤痕的位置及倾斜角度，以适当的位置及倾斜角度配置超声波探头，从而探查倾斜伤痕。

但是，专利文献1所述的方法存在这样的问题：由于每次都需要根据作为检测对象的倾斜伤痕的倾斜角度来改变超声波探头的倾斜角度，因此极为费时费力。另外，若要用一次探伤作业检测出如上述那样存在于无缝管中的、具有各种倾斜角度的倾斜伤痕，需要准备许多个超声波探头，并将它们以各不相同的倾斜角度配置。即，存在超声波探头的配置设定和校正等较为复杂、并且必须需要大型装置、导致成本上升这样的问题。

为了解决上述专利文献1所述的方法中的问题点，在日本国特开昭61-223553号公报(以下，称作专利文献2)中提出了一种应用阵列型超声波探头的探伤方法，该阵列型超声波探头将多个振子(超声波接收发送用元件)排列成一列。更具体地讲，是如下这样的方法：通过使上述振子的排列方向与管的轴向一致，并使超声波探头相对于管的轴心偏心地配置该超声波探头，从而使超声横波传播到管内。并且，通过对由各振子接收发送超声波的接收发送时机进行电气控制的电子扫描，改变由超声波探头接收发送的超声波的倾斜角度(相对于管轴向的倾斜角度)，从而探查具有各种倾斜角度的倾斜伤痕。

但是，在专利文献2所述的方法中，主要存在以下问题。

图1是表示本发明的发明人通过实验确认的、应用阵列型超声波探头的探伤方法中的倾斜伤痕的倾斜角度(倾斜伤痕的延伸方向与管轴向的夹角)与反射波强度的关系的一个例子。 更具体地说明，图1表示：在使与专利文献2所述的构造相同的阵列型超声波探头相对于管的轴心偏心地配置该超声波探头时的偏心量为恒定值的状态下，为了使倾斜伤痕的延伸方向与自超声波探头发送超声波的传播方向(从包括超声波的入射点在内的管的节平面的法线方向看到的传播方向)正交而相应于各倾斜伤痕的倾斜角度利用电子扫描来改变超声波的倾斜角度的情况下的、在各倾斜伤痕处的反射波强度(使倾斜角度为0°的倾斜伤痕的反射强度为0dB时的相对强度)。如图1所示，本发明的发明人发现了这样的问题：在专利文献2所述的方法中，即使是同样大小的倾斜伤痕(深0.5mm×长25mm)，相应于倾斜伤痕的倾斜角度不同，反射波的强度也不同。

本发明的发明人认为这是由于：为了使倾斜伤痕的延伸方向与自超声波探头发送超声波的传播方向正交，在使阵列型超声波探头的偏心量为恒定值的状态下，相应于各倾斜伤痕的倾斜角度利用电子扫描来改变超声波的倾斜角度，从而在管的超声波传播面上，入射到管内的超声波(超声波光束的中心线)到达管内表面的点处的管的法线与上述超声波(超声波光束的中心线)的夹角(内表面折射角)、以及入射到管内的超声波(超声波光束的中心线)到达管外表面的点处的管的法线与上述超声波(超声波光束的中心线)的夹角(外表面折射角)由于如下而发生变化，即(1)超声波探头的偏心量；(2)电子扫描引起的超声波的倾斜角度；(3)管的壁厚t与外径D之比(t/D)。

如上所述，本发明的发明人发现，在专利文献2所述的方法中存在相应于倾斜伤痕的倾斜角度不同而反射波的强度不同这样的问题，该问题有可能引起漏检有害的伤痕、或过度检测出不需检测的微小伤痕。

另一方面，在日本国特开2005-221371号公报(以下称为 专利文献3)中提出这样的使用阵列型超声波探头的超声波探伤方法，该超声波探头的各振子具有依据缺陷倾斜(相当于上述倾斜伤痕的倾斜角度)及探伤折射角(＝上述外表面折射角)导出的振子的管轴向倾斜(相当于上述超声波的倾斜角度)及管周向入射角(相当于根据上述偏心量确定的管周向入射角)。

根据专利文献3记载的方法，基于各振子所具有的管轴向倾斜及管周向入射角，能够高精度地检测出具有特定倾斜角度的倾斜伤痕(尤其是存在于管外表面的外表面伤痕)。但是，存在对于与设计超声波探头时不同的倾斜角度的倾斜伤痕的检测能力低下这样的问题。

此外，根据专利文献3记载的方法，由于存在对内表面伤痕的检测能力低于对外表面伤痕的检测能力的倾向，有可能出现漏检内表面伤痕。本发明的发明人认为其原因是，由于管壁厚与外径之比及倾斜伤痕的倾斜角度，内表面折射角比外表面折射角大很多。

另外，在日本国特开5-249091号公报(以下称为专利文献4)中提出这样的超声波探伤方法，通过使超声波探头沿圆锥侧面旋转，从而使超声波入射管的入射角保持恒定(即，将外表面折射角保持恒定)，并同时检测具有所希望倾斜角度的倾斜伤痕。上述圆锥是以超声波入射管的入射点为顶点、以该入射点处的垂线为中心轴的圆锥。

但是，在该专利文献4记载的方法中也存在如下问题：由于管壁厚与外径之比及倾斜伤痕的倾斜角度，内表面折射角比恒定值的外表面折射角大很多，因此对内表面伤痕的检测能力低于对外表面伤痕的检测能力。

换言之，专利文献3、4记载的方法中，都是基于斯内尔定律，将填充于超声波探头与管之间的接触介质中的超声波(超 声纵波)传播速度、管中的超声波(超声横波)传播速度、及可由超声波向管入射的入射角导出的外表面折射角作为设定探伤条件的基础，因此存在由于管壁厚与外径之比及倾斜伤痕的倾斜角度，对内表面伤痕的检测能力低下、难以检测这样的问题。

如上所述，以往的超声波探伤方法中，存在由于管壁厚与外径之比及倾斜伤痕的倾斜角度，因此对存在于管内表面的内表面伤痕的检测能力低下这样的问题，但是，可以说通过超声波探伤检测内表面伤痕，比检测外表面伤痕更为重要。这是因为，对于外表面伤痕的检测，可以采用目视检测，也可以容易实施涡流探伤、漏磁探伤等其它的NDI方法。对此，若要通过目视检查、涡流探伤或漏磁探伤来实施对内表面伤痕的检查，需要向管内部插入适当的传感器头，因此出现检查时间增长、传感器头的内插机构容易大型化、复杂化这样的问题。

另外，上述以往技术的问题点并不限定于超声波探伤的对象为无缝管的情况，对于例如螺旋管等焊接管、镗孔车轴等可能产生倾斜伤痕的所有管状被探伤件的超声波探伤是共有的。

发明内容

本发明即是为了解决这样的以往技术的问题点而做成的，其课题在于提供一种无论管状被探伤件的壁厚与外径之比和内表面伤痕的倾斜角度如何、都能以相同程度的检测能力检测相对于管状被探伤件的轴向具有各种倾斜角度的内表面伤痕的超声波探伤方法、以及使用该方法制造无缝管的方法。

为了解决上述课题，本发明的发明人深入研究了如下所述的内容。其结果发现：只要将探伤条件设定成使得内表面折射角为35°以上、60°以下，就可以无论管状被探伤件的壁厚与外 径之比和内表面伤痕的倾斜角度如何、都能使在内表面伤痕的反射波强度为大致相同程度，进而以大致相同程度的检测能力检测内表面伤痕。

本发明是根据上述发明人的发现而完成的。即，本发明提供一种超声波探伤方法，如技术方案1所述，该方法是将超声波探头与管状被探伤件的外表面相面对地配置来进行超声波探伤，其特征在于，根据上述管状被探伤件的壁厚与外径之比t/D来设定周向入射角αi及轴向入射角βi，该周向入射角αi是自上述超声波探头发送的超声波向上述管状被探伤件入射的周向入射角，该轴向入射角βi是自上述超声波探头发送的超声波向上述管状被探伤件入射的轴向入射角，从而使基于上述周向入射角αi、上述轴向入射角βi及上述管状被探伤件的壁厚与外径之比t/D算出的内表面折射角θk为35°以上、60°以下。

根据该发明，基于管状被探伤件的壁厚与外径之比t/D来设定周向入射角αi及轴向入射角βi，以使得内表面折射角θk为35°以上、60°以下。由此，对于沿与由周向入射角αi及轴向入射角βi确定的超声波传播方向正交的方向延伸的内表面伤痕，无论管状被探伤件的壁厚与外径之比t/D和内表面伤痕的倾斜角度如何，都能使在内表面伤痕的反射波强度为大致相同程度，进而以大致相同程度的检测能力检测内表面伤痕。

另外，在本发明中，“内表面折射角”表示，在管状被探伤件P的超声波传播面上，向管状被探伤件P内入射的超声波U(超声波光束的中心线)到达管状被探伤件P内表面的点A处的管状被探伤件P的法线L2、与上述超声波U(超声波光束的中心线)的夹角θk(参照图3(d))。此外，“周向入射角”表示，在管状被探伤件P的周向截面上，超声波U(超声波光束的中心线)的入射点O处的管状被探伤件P的法线L3、与上述超声波U (超声波光束的中心线)的夹角αi(参照图3(b))。并且，“轴向入射角”表示，在管状被探伤件P的轴向截面上，超声波U(超声波光束的中心线)的入射点O处的管状被探伤件P的法线L4、与上述超声波U(超声波光束的中心线)的夹角βi(参照图3(c))。

在此，在预先清楚作为检测对象的伤痕的延伸方向的情况下，如技术方案2所述，优选是，设定了上述周向入射角αi及上述轴向入射角βi，以使得基于上述周向入射角αi及上述轴向入射角βi算出的入射到上述管状被探伤件的超声波的传播方向与作为检测对象的伤痕延伸方向大致正交，然后，对上述周向入射角αi及上述轴向入射角βi中的至少任一方进行调整，以使得上述内表面折射角θk为35°以上、60°以下。

优选是如技术方案3所述，上述超声波探头为排列有多个振子而成的阵列式超声波探头，

通过电气控制由上述多个振子接收发送超声波的接收发送时机，来电气调整向上述管状被探伤件发送的超声波的上述周向入射角αi及上述轴向入射角βi中的至少任一方。

根据该优选构造，不必利用机械偏角机构，就可以容易且再现性良好地调整周向入射角αi及轴向入射角βi中的至少任一方。而且，也能实现基于远程操作、管状被探伤件的t/D等的自动调整。

如上所述，内表面折射角θk是基于周向入射角αi、轴向入射角βi及管状被探伤件的壁厚与外径之比t/D算出的，但具体而言，如技术方案4所示，该内表面折射角θk可通过下式(1)算出，

[数1]

θk＝cos^-1(cosθr·cosφ-sinθr·cosγ·sinφ)    …(1)

在此，上式(1)中的传播角度γ、外表面折射角θr、及角度φ分别以下式(2)～(4)表示；

[数2]

$\mathrm{\γ}={\tan }^{-1}\left(\frac{\sin \mathrm{\βi}}{\cos \mathrm{\βi}\·\sin \mathrm{\αi}}\right)---\left(2\right)$

θr＝sin^-1([(Vs/Vi)²·(sin²βi+cos²βi·sin²αi)]^1/2)  …(3)

φ＝sin^-1(k·sinθ’)-θ’…(4)

另外，上式(3)中的Vs表示在管状被探伤件中传播的超声波的传播速度，Vi表示填充于超声波探头与管状被探伤件之间的接触介质中的超声波传播速度，另外，上式(4)中的k及θ’分别以下式(5)及(6)表示；

[数3]

$k=\frac{1}{1-2(t/D)}--\left(5\right)$

tanθ’＝cosγ·tanθr  …(6)。

在本发明中，“传播角度”表示，向管状被探伤件P内入射的超声波(超声波光束的中心线)的传播方向(从包括超声波的入射点O在内的管状被探伤件P节平面的法线方向看到的传播方向)、与通过入射点O的管状被探伤件P的周向切线L的夹角γ(参照图3(a))。此外，“外表面折射角”表示，在管状被探伤件P的超声波传播面上，向管状被探伤件P内入射的超声波U(超声波光束的中心线)到达管状被探伤件P外表面的点B处的管状被探伤件P的法线L1、与上述超声波U(超声波光束的中心线)的夹角θr(参照图4(d))。

另外，如式(3)所示，上式(1)中的外表面折射角θr是 周向入射角αi和轴向入射角βi的函数(Vs/Vi为恒定值时)。此外，如式(2)所示，上式(1)中的传播角度γ是周向入射角αi和轴向入射角βi的函数。另外，如式(4)所示，上式(1)中的角度φ是k和θ’的函数。在此，如上式(5)所示，k是管状被探伤件的壁厚与外径之比t/D的函数，如上式(6)所示，θ’是传播角度γ和外表面折射角θr的函数。因此，角度φ成为周向入射角αi、轴向入射角βi和管状被探伤件的壁厚与外径之比t/D的函数。因此，以上式(1)表示的内表面折射角θk结果是周向入射角αi、轴向入射角βi和管状被探伤件的壁厚与外径之比t/D的函数。

此外，为了解决上述课题，如技术方案5所示，本发明还提供一种超声波探伤方法，将超声波探头与管状被探伤件的外表面相面对地配置来进行超声波探伤，其特征在于，根据上述管状被探伤件的壁厚与外径之比t/D来设定自上述超声波探头发送的超声波向上述管状被探伤件入射的入射角θw、和入射到上述管状被探伤件的超声波的传播角度γ，从而使基于上述入射角θw、上述传播角度γ及上述管状被探伤件的壁厚与外径之比t/D算出的内表面折射角θk为35°以上、60°以下。

根据该发明，基于管状被探伤件的壁厚与外径之比t/D来设定入射角θw及传播角度γ，以使得内表面折射角θk为35°以上、60°以下。由此，对于沿与设定的超声波传播方向(传播角度γ)正交的方向延伸的内表面伤痕，无论管状被探伤件的壁厚与外径之比t/D和内表面伤痕的倾斜角度如何，都能使在内表面伤痕的反射波强度为大致相同程度，进而以大致相同程度的检测能力检测内表面伤痕。

另外，在本发明中，“向管状被探伤件入射的入射角”表示，在管状被探伤件P的超声波传播面上，超声波U(超声波光束的 中心线)的入射点O处的管状被探伤件P的法线L3、与上述超声波U(超声波光束的中心线)的夹角θw(参照图7(d))。另外，若确定入射角θw，则根据斯内尔定律，折射角θs被唯一确定，因此，本发明中的“设定入射角θw”是这样的概念，即，不仅包括如文字所记载的设定入射角θw的情况，也包括设定折射角θs的情况。

在此，在预先清楚作为检测对象的伤痕的延伸方向的情况下，如技术方案6所述，优选是，在设定了上述传播角度γ、以使得入射到上述管状被探伤件的超声波的传播方向与作为检测对象的伤痕延伸方向大致正交后，对上述入射角θw进行调整，以使得上述内表面折射角θk为35°以上、60°以下。

如上所述，内表面折射角θk是基于入射角θw、传播角度γ及管状被探伤件的壁厚与外径之比t/D算出的，但具体而言，如技术方案4所示，上述内表面折射角θk可通过下式(1)算出，

[数4]

θk＝cos^-1(cosθr·cosφ-sinθr·cosγ·sinφ)    …(1)

在此，上式(1)中的外表面折射角θr及角度φ分别以下式(7)及(4)表示；

[数5]

sinθr＝Vs/Vi·sinθw    …(7)

φ＝sin^-1(k·sinθ’)-θ’…(4)

另外，上式(7)中的Vs表示在管状被探伤件中传播的超声波的传播速度，Vi表示填充于超声波探头与管状被探伤件之间的接触介质中的超声波传播速度，另外，上式(4)中的k及θ’分别以下式(5)及(6)表示；

[数6]

$k=\frac{1}{1-2(t/D)}---\left(5\right)$

tan θ’＝cosγ·tanθr…(6)。

另外，如式(7)所示，上式(1)中的外表面折射角θr是入射角θw的函数(Vs/Vi为恒定值时)。此外，如式(4)所示，上式(1)中的角度φ是k和θ’的函数。在此，如上式(5)所示，k是管状被探伤件的壁厚与外径之比t/D的函数，如上式(6)所示，θ’是传播角度γ和外表面折射角θr的函数。因此，角度φ成为入射角θw、传播角度γ和管状被探伤件的壁厚与外径之比t/D的函数。因此，以上式(1)表示的内表面折射角θk结果是入射角θw、传播角度γ和管状被探伤件的壁厚与外径之比t/D的函数。

此外，为了解决上述课题，如技术方案8所示，本发明还提供一种无缝管的制造方法，其特征在于，该方法包括通过对原料钢坯进行穿孔加工来制造无缝管的第1工序、和使用技术方案1～7中任一项所述的超声波探伤方法对由上述第1工序制造的无缝管进行探伤的第2工序。

附图说明

图1是表示应用以往的阵列型超声波探头的探伤方法中的倾斜伤痕的倾斜角度与反射波强度的关系的一个例子的图。

图2是表示本发明的第1实施方式的超声波探伤装置的概略构造的示意图。

图3是表示图2所示的超声波探伤装置的超声波传播动作的说明图。

图4是表示内表面折射角和在内表面伤痕的反射波强度的 一个例子的图。

图5是表示本发明的第2实施方式的超声波探伤装置的概略构造的示意图。

图6是表示本发明的第4实施方式的超声波探伤装置的概略构造的示意图。

图7表示图6所示的超声波探伤装置的超声波传播动作的说明图。

具体实施方式

下面，适当参照附图，列举管状被探伤件为钢管等管的情况为例说明本发明的实施方式。

第1实施方式

图2是表示本发明的第1实施方式的超声波探伤装置的概略构造的示意图。图2(a)表示主视图，图2(b)表示侧视图。图3是表示图2所示的超声波探伤装置的超声波传播动作的说明图。图3(a)表示立体图，图3(b)表示管周向剖视图，图3(c)表示管轴向剖视图，图3(d)表示沿超声波传播面(包括图3(a)所示的点O、点A及点B在内的面)的剖视图。如图2所示，本实施方式的超声波探伤装置100包括线形阵列型超声波探头1和接收发送控制部件2；上述超声波探头1由多个(本实施方式中为28个)长方形振子(在本实施方式中尺寸：0.75mm×10mm，振荡频率：5MHz)11在直线上排列而成；上述接收发送控制部件2对由超声波探头1接收发送超声波进行控制。另外，本实施方式的超声波探伤装置100还包括伤痕判定电路3和警报等输出部件4；上述伤痕判定电路3通过将来自管P的反射波(更具体地讲，由后述的波形合成电路223合成的反射波)的振幅与规定的阈值比较，检测出存在于管P中的 伤痕；上述警报等输出部件4用于在由伤痕判定电路3检测出伤痕的情况下，输出规定的警报等。

超声波探头1以使振子11的排列行方向沿着管P轴向的方式隔着接触介质(本实施方式中是水)与管P外表面相面对地配置。超声波探头1可借助由滚珠丝杠等构成的定位机构(未图示)而沿水平方向(图2(b)的箭头X方向)移动，并可固定在任意位置。基于由上述定位机构设定的超声波探头1的水平方向位置(偏离管P轴心的偏心量)，确定超声波向管P入射的周向入射角αi(参照图3(b)，在管周向截面中，管P的点O处的法线L3与超声波光束U的夹角)。

本实施方式的接收发送控制部件2包括发送电路21、接收电路22和控制电路23。发送电路21包括脉冲发生器211和延迟电路212；上述脉冲发生器211分别连接于各振子11，供给用于自各振子11发送超声波的脉冲信号；上述延迟电路212用于设定自各脉冲发生器211向各振子11供给的脉冲信号的延迟时间(发送延迟时间)。接收电路22包括接收器221、延迟电路222和波形合成电路223；上述接收器221分别连接于各振子11，用于使由各振子11接收的反射波增幅；上述延迟电路222用于设定利用各接收器221增幅后的反射波的延迟时间(接收延迟时间)；上述波形合成电路223用于合成将被各延迟电路222设定了延迟时间的反射波合成。控制电路23进行动作，从而从排列的多个振子11中选择接收发送超声波的振子11，并且，确定与该选择的各振子11相关的、由延迟电路212或延迟电路222设定的延迟时间。

在具有上述构造的接收发送控制部件2中，通过由延迟电路212设定规定的发送延迟时间，从而可改变自超声波探头1发送的超声波的传播方向。并且，在由延迟电路222对被接收器 221增幅后的反射波设定了规定的接收延迟时间(通常是与延迟电路212设定的发送延迟时间相同的延迟时间)后，由波形合成电路223进行合成，从而能够选择自特定方向传播来的超声波进行增幅。

换言之，通过本实施方式的延迟电路212及延迟电路222的延迟控制，可进行沿振子11的排列方向(管P的轴向)的超声波的电偏角扫描。即，通过延迟电路212及延迟电路222的延迟控制，确定了超声波向管P入射的轴向入射角βi(照图3(c)，在管轴向截面中，管P的点O处的法线L4与超声波光束U的夹角)。

更具体地说明，本实施方式的超声波探伤装置100是如下构造：对构成超声波探头1的多个振子11中的、由规定数量振子11构成的振子组(在本实施方式中由16个振子构成的振子组)，设定接触介质(水)中的超声波(超声纵波)传播速度、管P中的超声波(超声横波)传播速度、由振子11的排列间距等算出的发送延迟时间及接收延迟时间，由此接收发送偏转了轴向入射角βi的超声波来进行探伤。并且，在一个振子组探伤结束后，顺次切换所选择的振子组来进行电子扫描，从而提高了探伤速度。此时，若做成自多个振子组(本实施方式中为3个振子组)同时接收发送超声波，则可实现电子扫描本身的高速化。此外，若自选择的多个振子组接收发送轴向入射角βi各不相同的超声波，则可实现同时对具有多个不同倾斜角度的伤痕进行探伤。另外，在本实施方式中，通过沿轴向旋转输送管P，实现对管P全长进行超声波探伤。

在此，本实施方式的超声波探伤装置100的特征在于，基于管P的壁厚与外径之比t/D来设定周向入射角αi和轴向入射角βi，以使得后述的内表面折射角θk为35°以上、60°以下。以下， 适当参照图3，更具体地说明其理由。

如图3所示，自构成超声波探头1的各振子11发送来的超声波从管P外表面上的点O入射之后，在管P内表面上的点A反射，到达管P外表面上的点B。然后，将自点O入射的超声波的传播方向(从包括入射点O在内的管P节平面的法线方向看到的传播方向)与通过入射点O的管P的周向切线L的夹角(传播角度)设为γ(以下，也适当称作“传播方向γ”)，将点B处的外表面折射角(在图3(d)所示的超声波传播面上，管P的点B处的法线L1与超声波光束U的夹角)设为θr，将点A处的内表面折射角(在图3(d)所示的超声波传播面上，管P的点A处的法线L2与超声波光束U的夹角)设为θk，在这种情况下，θr、γ及θk分别以下式(1)～(3)表示。

[数7]

θk＝cos^-1(cosθr·cosφ-sinθr·cosγ·sinφ)    …(1)

$\mathrm{\γ}={\tan }^{-1}\left(\frac{\sin \mathrm{\βi}}{\cos \mathrm{\βi}\·\sin \mathrm{\αi}}\right)\·\·\·\left(2\right)$

θr＝sin^-1({(Vs/Vi)²·(sin²βi+cos²βi·sin²αi)}^1/2)…(3)

在此，在上式(3)中，Vs表示在管P中传播的超声波的传播速度，Vi表示填充于振子11与管P之间的接触介质中的超声波传播速度。并且，在上式(1)中，φ表示在图3(b)所示的管轴向截面上，通过管中心C及点O的直线与通过管中心C及点A的直线的夹角(与通过管中心C及点A的直线和通过管中心C及点B的直线的夹角相等)，以下式(4)表示。

[数8]

φ＝sin^-1(k·sinθ’)-θ’…(4)

而且，在上式(4)中，k及θ’分别以下式(5)及(6)表示。

[数9]

$k=\frac{1}{1-2(t/D)}---\left(5\right)$

tanθ’＝cosγ·tanθr  …(6)

由上式(2)及(3)可知，超声波传播方向γ及外表面折射角θr成为取决于超声波探头1的偏心量的、超声波向管P入射的周向入射角αi及超声波向管P入射的轴向入射角βi的函数。另外，如基于上式(2)～(6)所导出的那样，以上式(1)表示的内表面折射角θk也同样成为周向入射角αi、轴向入射角βi及管P的壁厚与外径之比t/D的函数。

在此，如上所述，在专利文献2记载的方法中，在使超声波探头相对于管P轴心偏心地配置该超声波探头时的偏心量为恒定(即，使由偏心量确定的向管P入射的周向入射角αi为恒定)的条件下，仅改变超声波相对于管P轴向的倾斜角度(仅改变轴向入射角βi)，从而使超声波的传播方向与倾斜伤痕的延伸方向正交。此时，如由上式(1)及式(3)导出的那样，若仅改变轴向入射角βi，则外表面折射角θr及内表面折射角θk分别基于轴向入射角βi的改变而变化，因此，如上述那样，导致反射波的强度相应于倾斜伤痕的倾斜角度而不同，进而伤痕检测能力产生变化。

图4表示在内表面伤痕(深度0.5mm×长度25mm)延伸方向与自超声波探头发送的超声波的传播方向γ正交的状态下、使内表面折射角θk在30°以上、75°以下范围变化时的在内表面伤痕的反射波强度的一个例子。另外，无论超声波的传播方向γ如何，图4所示的反射波强度的变化表现出同样的倾向。如图4所示，内表面折射角θk在大致35°以上、55°以下范围中，反射波强度为大致恒定，但若θk超过55°，则反射波强度单调减少， 在θk＝60°时，相对于反射波强度的峰值(θk≈45°时)，反射波强度为-12dB以下。另外，比较图4所示的实验数据和经数值计算得出的计算数据，反射波在内表面折射角θk超过60°的范围中的举动不同。认为这是由于，若内表面折射角θk变大，则在管P的超声波折射角θs(在图3(d)所示的超声波传播面中，管P的入射点O处的法线与入射后的超声波光束U的夹角)也变大，结果在实际实验中，反射波在接触介质与管P的边界面中的往复通过率降低，或反射波在管P中传播所产生的衰减增加。

即使由接收器221的增幅来补偿随着内表面折射角θk的变化而导致反射波强度的降低，但实际上补偿极限是-12dB左右的降低。因此，从图4可知，为了得到至少与反射波强度的峰值相比为-12dB以上的反射波强度，需要设定成内表面折射角θk成为60°以下的条件。

另一方面，得知：在内表面折射角θk为大致30°以下的情况下，到达了管P内表面的超声横波反射时，发生了模式转变，50％以上的能量自横波转变为纵波。由于该模式转换，在管P中传播的超声横波的强度降低，其结果，出现对1.0跳跃的外表面伤痕的检测能力降低这样的问题。若要避免这样的问题，并考虑扩大超声波光束±2°～5°左右，则需要设定成内表面折射角θk成为35°以上的条件，以使得在管P内表面反射时，不会出现由横波向纵波的模式转变。

基于以上说明的理由，本实施方式的超声波探伤装置100的特征在于，基于管P的壁厚与外径之比t/D来设定周向入射角αi和轴向入射角βi，以使得内表面折射角θk为35°以上、60°以下。由此，无论管P的壁厚与外径之比t/D和内表面伤痕的倾斜角度如何，都可以使在内表面伤痕的反射波强度为大致相同程 度，进而能够以大致相同程度的检测能力检测内表面伤痕。

另外，在预先清楚作为检测对象的内表面伤痕的延伸方向的情况下，如下这样即可：设定了周向入射角αi及轴向入射角βi，以使得入射到管P的超声波的传播方向γ与作为检测对象的伤痕延伸方向大致正交，然后，对周向入射角αi及轴向入射角βi中的至少任一方进行调整，以使得内表面折射角θk为35°以上、60°以下。

另外，若采用相应于内表面折射角θk在35°以上、60°以下范围内的变化而改变接收器221的增幅度的构造，则可以进一步使在内表面伤痕的反射波强度为相同程度，进而能够进一步使对内表面伤痕的检测能力为相同程度，因此较理想。

表1表示针对外径为190mm、壁厚为11mm(t/D≈5.8％)的管P，计算出在将超声波探伤装置100的周向入射角αi及轴向入射角βi设定为各种值的情况下的超声波的传播角度γ、外表面折射角θr及内表面折射角θk的结果。这些计算使用了上式(1)～(6)。此外，式(3)中的Vs＝3200m/sec(在钢管内的超声横波的传播速度)、Vi＝1500m/sec(在水中的超声纵波的传播速度)。

表1

	偏心量  (mm)	周向入射角  αi(°)	轴向入射角  βi(°)	传播角度  γ(°)	外表面折射角  θr(°)	内表面折射角  θk(°)
							A	26	16	0	0	36	42
B	24	15	6	22	36	41
							C	20	12	12	45	39	42
D	25	15	0	0	35	40
							E	25	15	6	22	38	43
F	25	15	15	45	51	56
							G	11	7	16	67	40	41
H	7	4	19	78	46	46

在进行对内表面伤痕的超声波探伤时，为了与内表面伤痕的倾斜角度(＝超声波的传播角度γ)无关地、得到同等的伤痕反射波(在内表面的反射波)(即，为了得到同等的内表面折射 角θk)，例如，如表1的条件A、B、C所示，从探伤结构的稳定性方面考虑，按每一内表面伤痕的倾斜角度调整设定偏心量(周向入射角αi)及轴向入射角βi是理想的。但是，除了设定烦杂之外，还存在如下缺点：在要对具有多个不同倾斜角度的内表面伤痕同时探伤时，需要准备多个设定了不同偏心量的超声波探头1。

另一方面，如表1的条件D、E、F所示，只要内表面伤痕的倾斜角度为0°以上、45°以下的范围(从而，超声波的传播角度γ＝0°以上、45°以下)，则即使使超声波探头1的偏心量恒定，通过适当设定偏心量(周向入射角αi)及轴向入射角βi，能够使内表面折射角θk为40°以上、56°以下的范围。如上述图4所示，只要内表面折射角θk的变化是该程度，则在内表面伤痕的反射波强度的变化是10dB左右，因此，若采用相应于超声波的传播角度γ(相应于内表面伤痕的倾斜角度)而改变接收器221的增幅度的构造，则对0°以上、45°以下的范围中的任一倾斜角度的内表面伤痕都是大致相同的检测能力。

此外，如上所述，在采用自3个振子组同时接收发送超声波的构造的情况下，对第1振子组设定表1的条件D，对第2振子组设定表1的条件E，对第3振子组设定表1的条件F，从而能够用单一的超声波探头1同时对具有倾斜角度为0°、22°及45°的内表面伤痕进行探伤。

表2表示针对外径为160mm、壁厚为28mm(t/D≈18％)的管P，计算出在将超声波探伤装置100的周向入射角αi及轴向入射角βi设定为各种值的情况下的超声波的传播角度γ、外表面折射角θr及内表面折射角θk的结果。这些计算使用了上式(1)～(6)。此外，式(3)中的Vs＝3200m/sec(在钢管内的超声横波的传播速度)、Vi＝1500m/sec(在水中的超声纵波 的传播速度)。

表2

	偏心量  (mm)	周向入射角  αi(°)	轴向入射角  βi(°)	传播角度  γ(°)	外表面折射角  θr(°)	内表面折射角  θk(°)
							A	19	12	0	0	26	41
B	19	12	5	22	28	43
							C	19	12	12	45	37	51
D	11	7	16	67	39	43
							E	7	4	19	78	46	48

如表2的条件A、B、C所示，偏心量(周向入射角αi)及轴向入射角βi的数值与表1的条件D、E、F不同，但通过适当设定偏心量(周向入射角αi)及轴向入射角βi，只要内表面伤痕的倾斜角度为0°以上、45°以下的范围(从而，超声波的传播角度γ＝0°以上、45°以下)，则即使使超声波探头1的偏心量恒定，也能够使内表面折射角θk为41°以上、51°以下的范围内。因此，若采用相应于超声波的传播角度γ(相应于内表面伤痕的倾斜角度)而改变接收器221的增幅度的构造，则对0°以上、45°以下的范围中的任一倾斜角度的内表面伤痕都是大致相同的检测能力。

但是，在表1及表2所示的任何条件下，若内表面伤痕的倾斜角度(超声波的传播角度γ)大到67°(表1的条件G、表2的条件D)、或78°(表1的条件H、表2的条件E)，则需要按每一内表面伤痕的倾斜角度调整设定偏心量(周向入射角αi)及轴向入射角βi。

第2实施方式

图5是表示本发明的用于实施第2实施方式的超声波探伤方法的超声波探伤装置的概略构造的示意图。图5(a)表示侧视图，图5(b)表示主视图。如图5所示，本实施方式的超声波探伤装置100A包括阵列型超声波探头1A和接收发送控制部件2；上述超声波探头1A由多个(本实施方式中为32个)长方形振子(在本实施方式中尺寸：0.75mm×10mm，振荡频率： 5MHz)11在管P的同心圆弧上排列而成；上述接收发送控制部件2对由超声波探头1A接收发送超声波进行控制。另外，本实施方式的超声波探伤装置100A与第1实施方式的超声波探伤装置100同样，还包括伤痕判定电路3和警报等输出部件4；上述伤痕判定电路3通过将来自管P的反射波的振幅与规定的阈值比较，检测出存在于管P中的伤痕；上述警报等输出部件4用于在由伤痕判定电路3检测出伤痕的情况下，输出规定的警报等。

超声波探头1A以使振子11的排列行方向沿着管P周向的方式隔着接触介质(本实施方式中是水)与管P外表面相面对地配置。并且，各振子11被沿管P的轴向倾斜配置，使得所发送的超声波成为规定的轴向入射角βi(本实施方式中为17°)。从而，本实施方式的超声波探头1A的向管P入射的超声波的轴向入射角βi是由振子11的倾斜确定的固定值。

本实施方式的接收发送控制部件2的构造与第1实施方式相同，通过延迟电路212及延迟电路222的延迟控制，可进行沿振子11的排列方向(管P的周向)的超声波的电偏角扫描。即，通过延迟电路212及延迟电路222的延迟控制，确定了超声波向管P入射的周向入射角αi。

更具体地说明，本实施方式的超声波探伤装置100A是如下构造：对构成超声波探头1A的32个振子11，设定接触介质(水)中的超声波(超声纵波)传播速度、管P中的超声波(超声横波)传播速度、由振子11的排列间距等算出的发送延迟时间及接收延迟时间，由此接收发送偏转了周向入射角αi的超声波来进行探伤。并且，改变发送延迟时间及接收延迟时间的设定，高速改变周向入射角αi，并同时进行探伤，从而可实现依次对具有多个不同倾斜角度的伤痕进行探伤。另外，在本实施方式中，通过沿轴向旋转输送管P，实现对管P全长进行超声波探伤。

并且，与第1实施方式相同，本实施方式的超声波探伤装置100A的特征也在于，基于管P的壁厚与外径之比t/D来设定周向入射角αi和轴向入射角βi，以使得上式(1)表示的内表面折射角θk为35°以上、60°以下。由此，无论管P的壁厚与外径之比t/D和内表面伤痕的倾斜角度如何，都可以使在内表面伤痕的反射波强度为大致相同程度，进而能够以大致相同程度的检测能力检测内表面伤痕。

另外，与第1实施方式相同，若在本实施方式也采用相应于内表面折射角θk在35°以上、60°以下范围内的变化而改变接收器221的增幅度的构造，则可以进一步使在内表面伤痕的反射波强度为相同程度，进而能够进一步使对内表面伤痕的检测能力为相同程度，因此较理想。

表3表示针对外径为190mm、壁厚为11mm(t/D≈5.8％)的管P，计算出在将超声波探伤装置100A的周向入射角αi设定为各种值(轴向入射角βi固定为17°)的情况下的超声波的传播角度γ、外表面折射角θr及内表面折射角θk的结果。这些计算使用了上式(1)～(6)。此外，式(3)中的Vs＝3200m/sec(在钢管内的超声横波的传播速度)、Vi＝1500m/sec(在水中的超声纵波的传播速度)。

表3

	周向入射角  αi(°)	轴向入射角  βi(°)	传播角度  γ(°)	外表面折射角  θr(°)	内表面折射角  θk(°)
						A	0	17	90	39	39
B	4	17	78	40	40
						C	7	17	67	43	44
D	15	17	50	55	60

如表3所示，将轴向入射角βi固定为17°，在0°以上、15°以下的范围改变周向入射角αi，从而将内表面折射角θk维持在39°以上、60°以下的范围内，并可在50°以上、90°以下的范围内改变超声波的传播角度γ。因此，若采用相应于超声波的传播 角度γ(相应于内表面伤痕的倾斜角度)而改变接收器221的增幅度的构造，则对50°以上、90°以下的范围中的任一倾斜角度的内表面伤痕都是大致相同的检测能力。

第3实施方式

本实施方式的超声波探伤装置是组合了图2所示的第1实施方式的超声波探伤装置100和图5所示的第2实施方式的超声波探伤装置100A的构造。更具体而言，是沿管P的周向或管P的轴向并设超声波探伤装置100所具有的超声波探头1、和超声波探伤装置100A所具有的超声波探头1A而成的构造。另外，可以对超声波探头1及超声波探头1A分别单独设置对超声波探头接收发送超声波进行控制的接收发送控制部件2，也可以采用超声波探头1及超声波探头1A兼用接收发送控制部件2的构造。

如上所述，如表1的条件D、E及F、或者表2的条件A、B及C所示，根据第1实施方式的超声波探伤装置100，在将超声波探头1的偏心量固定(固定周向入射角αi)的状态下，改变轴向入射角βi，从而可以对0°以上、45°以下的范围中的任一倾斜角度的内表面伤痕都是大致相同的检测能力。

另一方面，如表3所示，根据第2实施方式的超声波探伤装置100A，通过固定轴向入射角βi，改变周向入射角αi，从而可以对50°以上、90°以下的范围中的任一倾斜角度的内表面伤痕都是大致相同的检测能力。

因此，根据组合了超声波探伤装置100和超声波探伤装置100A而成的本实施方式的超声波探伤装置，可以对0°以上、90°以下的范围中的任一倾斜角度的内表面伤痕都是大致相同的检测能力。此外，仅通过延迟控制电气改变超声波探伤装置100A的周向入射角αi及超声波探伤装置100的轴向入射角βi即可，不 需要对周向入射角αi及轴向入射角βi进行机械调整，因此，探伤条件的设定极其简单，能够提高探伤效率。

另外，作为本实施方式的超声波探伤装置，采用分别各具有两个超声波探头1及超声波探头1A的构造，若例如如下述这样配置，则可以对0°以上、360°以下的范围中的任一倾斜角度的内表面伤痕都是大致相同的检测能力。即，以各超声波探头1的偏心量(周向入射角αi)的正负符号彼此相反的方式配置各超声波探头1，并进行延迟控制，使得各超声波探头1的轴向入射角βi正负符号彼此相反。另一方面，以各超声波探头1A的轴向入射角βi正负符号彼此相反的方式配置各超声波探头1A，并进行延迟控制，使得各超声波探头1A的周向入射角αi的正负符号彼此相反。由此，可以对0°以上、360°以下的范围中的任一倾斜角度的内表面伤痕都是大致相同的检测能力。

另外，作为本实施方式的超声波探伤装置的变形例，可以采用具有沿管P的周向及轴向配置了微小振子的二维阵列型超声波探头。对于该构造，若采用如下构造，则也可以对0°以上、360°以下的范围中的任一倾斜角度的内表面伤痕都是大致相同的检测能力。即，进行各振子的延迟控制来调整周向入射角αi及轴向入射角βi，以使得内表面折射角θk维持在35°以上、60°以下，并相应于超声波的传播角度γ(相应于内表面伤痕的倾斜角度)而改变接收器221的增幅度。

第4实施方式

图6是表示本发明的第4实施方式的超声波探伤装置的概略构造的示意图。图6(a)表示立体图，图6(b)表示俯视图。图7是表示图6所示的超声波探伤装置的超声波传播动作的说明图，图7(a)表示立体图，图7(b)表示周向剖视图，图7(c)表示俯视图，图7(d)是表示沿超声波传播面(包括图7 (b)所示的点O、点A及点B在内的面)的剖视图。如图6所示，本实施方式的超声波探伤装置100B包括超声波探头1B和接收发送控制部件2B；上述接收发送控制部件2B对由超声波探头1B接收发送超声波进行控制。另外，本实施方式的超声波探伤装置100B还包括伤痕判定电路3和警报等输出部件4；上述伤痕判定电路3通过将来自管P的反射波的振幅与规定的阈值比较，检测出存在于管P中的伤痕；上述警报等输出部件4用于在由伤痕判定电路3检测出伤痕的情况下，输出规定的警报等。

超声波探头1B隔着接触介质(本实施方式中是水)与管P外表面相面对地配置。更具体地说明，为了使所发送的超声波向管P入射的入射点O保持在特定位置，将超声波探头1B构成为可沿椭圆S旋转，该椭圆S的长径方向(图6(b)所示的x方向)沿管P轴向、短径方向(图6(b)所示的y方向)沿管P周向，且中心S0正对管P的轴心。另外，使超声波探头1B可沿椭圆S旋转的机构(未图示)可使用公知的机械要素做成比较简单的构造，因此，在此省略其详细说明。

本实施方式的接收发送控制部件2B由脉冲发生器、接收器等构成，该脉冲发生器连接于超声波探头1B所具有的振子，并供给用于自该振子发送超声波的脉冲信号，上述接收器连接于上述振子，并用于使该振子接收的反射波增幅。

根据具有以上构成的超声波探伤装置100A，为使作为检测对象的伤痕的延伸方向与自超声波探头1B发送的超声波的传播方向大致正交，将超声波探头1B固定在沿椭圆S的旋转轨迹上的规定位置来对管P进行探伤。由此，可以检测具有特定倾斜角度的伤痕。另外，在本实施方式中，通过沿轴向旋转输送管P，实现对管P全长进行超声波探伤。

并且，与第1～第3实施方式相同，本实施方式的超声波探 伤装置100B的一个特征在于，基于管P的壁厚与外径之比t/D来设定入射角θw和传播角度γ，以使得上式(1)表示的内表面折射角θk为35°以上、60°以下。以下，适当参照图7，更具体地说明其理由。

如图7所示，由构成超声波探头1B发送来的超声波从管P外表面上的点O入射之后，在管P内表面上的点A反射，到达管P外表面上的点B。然后，将自点O入射的超声波的传播方向(从包括入射点O在内的管P节平面的法线方向看到的传播方向)与通过入射点O的管P的周向切线L的夹角(传播角度)设为γ(以下，也适当称作“传播方向γ”)，将点B的外表面折射角(在图7(d)所示的超声波传播面上，管P的点B处的法线L1与超声波光束U的夹角)设为θr，将点A的内表面折射角(在图7(d)所示的超声波传播面上，管P的点A处的法线L2与超声波光束U的夹角)设为θk。另外，将超声波向管P入射的入射角(在图7(d)所示的超声波传播面上，管P的点O处的法线L3与入射的超声波光束U的夹角)设为θw，将超声波在管P上的折射角(在图7(d)所示的超声波传播面上，管P的入射点O处的法线L3与入射后的超声波光束U的夹角)设为θs。

以入射角θw向管P入射的超声波表现出几何光学的传播动作。即，以入射角θw向管P入射的超声波以遵循斯内尔定律确定的折射角θs向管P内传播。于是，如利用几何学导出的那样，外表面折射角θr与折射角θs相等。即，下式(7)成立。

[数10]

sinθr＝Vs/Vi·sinθw  …(7)

在此，在上式(7)中，Vs表示在管P中传播的超声波的传播速度，Vi表示填充于超声波探头1B与管P之间的接触介质中 的超声波传播速度。

另一方面，如上式(7)及上式(4)～(6)导出的那样，以上式(1)表示的内表面折射角θk是入射角θw、传播角度γ及管P的壁厚与外径之比t/D的函数。于是，在超声波传播方向γ与管P的轴向一致时(即，传播角度γ＝90°)，内表面折射角θk为最小值，与外表面折射角θr(＝折射角θs)相等，在超声波传播方向γ与管P的周向一致时(即，传播角度γ＝0°)，内表面折射角θk为最大值，以下式(8)表示。

[数11]

$\mathrm{\θk}={\sin }^{-1}\left(\frac{\sin \mathrm{\θr}}{1-2(t/D)}\right)\·\·\·\left(8\right)$

在此，若管P的壁厚与外径之比t/D为百分之几左右，则利用上式(8)算出的内表面折射角θk与外表面折射角θr之差纳入在10°左右的范围内。因此，检测沿管P的轴向延伸的内表面伤痕(利用传播方向γ与管P周向一致的超声波来检测)的情况下的内表面折射角θk、与检测沿管P轴向的内表面伤痕(利用传播方向γ与管P轴向一致的超声波来检测)的情况下的内表面折射角θk之差纳入在10°左右的范围内，两内表面伤痕的检测能力不会产生明显误差。但是，在管P的t/D大于等于15％时，利用上式(8)算出的内表面折射角θk比外表面折射角θs大出20°以上(即，通过将传播方向γ由管P轴向变为周向，使内表面折射角θk也增大20°以上)，对沿管P轴向延伸的内表面伤痕的检测能力大大降低。同样，对于具有管P的轴向与周向之间的倾斜角度的内表面伤痕，检测能力也随着内表面折射角θk的增加而降低。

若要抑制以上说明的与内表面折射角θk的变动相伴随的内表面伤痕的检测能力降低，只要以无论内表面伤痕的倾斜角 度如何(无论超声波的传播方向γ如何)、都使在内表面伤痕的反射波强度为大致相同程度的内表面折射角θk进行探伤即可。如上述图4所示，这样的内表面折射角θk的范围是35°以上、60°以下(优选是反射波强度的变化较少的35°以上、55°以下)。因此，本实施方式的超声波探伤装置100B基于管P的壁厚与外径之比t/D来设定入射角θw和传播角度γ，以使得内表面折射角θk是35°以上、60°以下(优选是反射波强度的变化较少的35°以上、55°以下)。更具体而言，为使作为检测对象的伤痕的延伸方向与自超声波探头1B发送的超声波的传播方向大致正交，使超声波探头1B沿椭圆S旋转来设定传播角度γ。并且，通过设定椭圆S的形状(长径、短径及超声波的入射点O与椭圆S的距离)，来设定入射角θw。由此，无论管P的壁厚与外径之比t/D和内表面伤痕的倾斜角度如何，都可以使在内表面伤痕的反射波强度为相同程度，进而能够以相同程度的检测能力使对内表面伤痕进行检测。

另外，若采用相应于内表面折射角θk在35°以上、60°以下的范围内的变化而改变接收器221的增幅度的构造，则可以进一步使在内表面伤痕的反射波强度为相同程度，进而能够进一步以相同程度的检测能力使对内表面伤痕进行检测，因此较为理想。

以下，对确定椭圆S的形状(长径、短径及超声波的入射点O与椭圆S的距离)的方法进行说明。如图6所示，在将椭圆S的长径设为2x、短径设为2y、超声波的入射点O与椭圆S的距离设为h时，自超声波探头1B位于椭圆S的长径部时发送来的超声波的入射角θw(称作θw1)与自超声波探头1B位于椭圆S的短径部时发送来的入射角θw(称作θw2)分别以下式(9)及(10)表示。

[数12]

θw1＝tan^-1(x/h)…(9)

θw2＝tan^-1(y/h)…(10)

于是，基于探伤的管P的t/D来确定椭圆S的形状(x、y及h)，从而使以上式(9)及(10)表示的入射角θw1及θw2满足下式(11)，并且分别基于入射角θw1及θw2算出的内表面折射角θk在35°以上、60°以下的范围内。

[数13]

sinθw2＝sinθw1·{1-2(t/D)}…(11)

在本实施方式中，管P的壁厚与外径之比t/D＝11％，椭圆S的形状(x、y及h)被确定成：上式(9)所表示的入射角θw1为约18°、上式(10)所表示的入射角θw2为约14°。该入射角θw1及θw2满足上式(11)，并可使上式(1)所表示的内表面折射角θk在35°以上、60°以下的范围内。

表4表示针对壁厚与外径之比t/D＝11％的管P，计算出在使超声波探伤装置100B的超声波探头1B沿如上述那样确定了形状的椭圆S旋转时的、超声波的传播角度γ、入射角θw、外表面折射角θr及内表面折射角θk的结果。这些计算使用了上式(1)及(4)～(7)。此外，式(7)中的Vs＝3200m/sec(在钢管内的超声横波的传播速度)、Vi＝1500m/sec(在水中的超声纵波的传播速度)。

表4

传播角度  γ(°)	入射角  θw(°)	外表面折射角  θr(°)	内表面折射角  θk(°)
				90	18	42	42
60	17	38	41
				30	15	33	42
0	14	31	42

如表4所示，在内表面伤痕的倾斜角度为0°以上、90°以下 的范围内(从而，超声波的传播角度γ＝0°以上、90°以下)，不仅可以将内表面折射角θk维持在35°以上、60°以下的范围内，还可以使内表面折射角θk为大致恒定的值。在表4中仅表示了超声波的传播角度γ＝0°以上、90°以下的情况，但实际上在传播角度γ＝0°以上、360°以下的范围内，也可以使内表面折射角θk为大致恒定的值。从而，可以对0°以上、360°以下的范围中的任一倾斜角度的内表面伤痕都是大致相同的检测能力。

Claims (6)

1.一种超声波探伤方法，将超声波探头与管状被探伤件的外表面相面对地配置该超声波探头来进行超声波探伤，其特征在于，

根据上述管状被探伤件的壁厚与外径之比t/D来设定周向入射角αi及轴向入射角βi，该周向入射角αi是自上述超声波探头发送的超声波向上述管状被探伤件入射的周向入射角，该轴向入射角βi是自上述超声波探头发送的超声波向上述管状被探伤件入射的轴向入射角，从而使基于上述周向入射角αi、上述轴向入射角βi及上述管状被探伤件的壁厚与外径之比t/D并通过下式(1)算出的内表面折射角θk为35°以上、60°以下，

[数14]

θk＝cos^-1(cosθr·cosφ-sinθr·cosγ·sinφ)…(1)

在此，上式(1)中的传播角度γ、外表面折射角θr、及角度φ分别以下式(2)～(4)表示，角度φ是k和θ’的函数；

[数15]

$\mathrm{\γ}={\tan }^{-1}\left(\frac{\sin \mathrm{\βi}}{\cos \mathrm{\βi}\·\sin \mathrm{\αi}}\right)...\left(2\right)$

θr＝sin^-1({(Vs/Vi)²·(sin²βi+cos²βi·sin²αi)}^1/2)…(3)

φ＝sin^-1(k·sinθ’)-θ’…(4)

另外，上式(3)中的Vs表示在管状被探伤件中传播的超声波的传播速度，Vi表示填充于超声波探头与管状被探伤件之间的接触介质中的超声波传播速度，另外，上式(4)中的k及θ’分别以下式(5)及(6)表示，k是t/D的函数，θ’是γ和θr的函数；

[数16]

$k=\frac{1}{1-2(t/D)}...\left(5\right)$

tanθ’＝cosγ·tanθr  …(6)。

2.根据权利要求1所述的超声波探伤方法，其特征在于，

设定上述周向入射角αi及上述轴向入射角βi，以使得基于上述周向入射角αi及上述轴向入射角βi算出的入射到上述管状被探伤件的超声波的传播方向与作为检测对象的伤痕的延伸方向大致正交，然后，

对上述周向入射角αi及上述轴向入射角βi中的至少任一方进行调整，以使得上述内表面折射角θk为35°以上、60°以下。

3.根据权利要求1所述的超声波探伤方法，其特征在于，

上述超声波探头为排列有多个振子而成的阵列式超声波探头，

通过电气控制由上述多个振子接收发送超声波的接收发送时机，来电气调整向上述管状被探伤件发送的超声波的上述周向入射角αi及上述轴向入射角βi中的至少任一方。

4.一种超声波探伤方法，将超声波探头与管状被探伤件的外表面相面对地配置该超声波探头来进行超声波探伤，其特征在于，

根据上述管状被探伤件的壁厚与外径之比t/D来设定自上述超声波探头发送的超声波向上述管状被探伤件入射的入射角θw、和入射到上述管状被探伤件的超声波的传播角度γ，从而使基于上述入射角θw、上述传播角度γ及上述管状被探伤件的壁厚与外径之比t/D并通过下式(1)算出的内表面折射角θk为35°以上、60°以下，

[数17]

θk＝cos^-1(cosθr·cosφ-sinθr·cosγ·sinφ)…(1)

在此，上式(1)中的外表面折射角θr及角度φ分别以下式(7)及(4)表示，角度φ是k和θ’的函数；

[数18]

sinθr＝Vs/Vi·sinθw…(7)

φ＝sin^-1(k·sinθ’)-θ’…(4)

另外，上式(7)中的Vs表示在管状被探伤件中传播的超声波的传播速度，Vi表示填充于超声波探头与管状被探伤件之间的接触介质中的超声波传播速度，另外，上式(4)中的k及θ’分别以下式(5)及(6)表示，k是t/D的函数，θ’是γ和θr的函数；

[数19]

$k=\frac{1}{1-2(t/D)}...\left(5\right)$

tanθ’＝cosγ·tanθr …(6)。

5.根据权利要求4所述的超声波探伤方法，其特征在于，

在设定上述传播角度γ而使得入射到上述管状被探伤件的超声波的传播方向与作为检测对象的伤痕的延伸方向大致正交后，

对上述入射角θw进行调整，以使得上述内表面折射角θk为35°以上、60°以下。

6.一种无缝管的制造方法，其特征在于，

该方法包括通过对原料钢坯进行穿孔加工来制造无缝管的第1工序、和使用权利要求1～5中任一项所述的超声波探伤方法对由上述第1工序制造的无缝管进行探伤的第2工序。

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